氨基酸功能化多壁碳纳米管缓解盐胁迫下油菜（Brassica napus L.）生理生化响应的研究

《Plant Physiology and Biochemistry》：Physiological/biochemical study of Brassica napus L. treated with amino acid-conjugated multi-walled carbon nanotubes under salinity stress

本文系统研究了氨基酸功能化多壁碳纳米管（MWCNTs）对盐胁迫下油菜的生理生化调控作用。通过微波辅助合成技术，将赖氨酸（Lys）、蛋氨酸（Meth）、脯氨酸（Pro）及混合氨基酸（Mix）共价修饰到MWCNTs表面，显著提升了纳米材料在叶面喷施中的分散性与生物相容性。研究结果表明，Mix@MWCNTs处理可有效提升油菜叶片光合色素含量、生物量及种子产量（提高3.5倍），并优化脂肪酸组成（降低饱和脂肪酸比例，显著降低芥酸含量）。该研究为纳米材料在农业抗逆增产中的应用提供了新策略。

　　

材料

实验所用原始多壁碳纳米管（MWCNTs）（直径<30 nm，长度5–15 μm，碳纯度>95%）购自深圳港口公司。赖氨酸（Lys）、蛋氨酸（Meth）和脯氨酸（Pro）为分析纯级别，购自默克公司。乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺（DMF）和乙腈由西格玛-奥德里奇提供。

多壁碳纳米管的功能化

将200 mg MWCNTs分散于150 mL二甲基甲酰胺（DMF）中，随后分别加入50 mg赖氨酸（Lys）、蛋氨酸（Meth）或脯氨酸（Pro）。将混合物置于微波反应器中，在100°C下反应30分钟。反应完成后，通过离心收集功能化MWCNTs，并用乙醇和去离子水反复洗涤以去除未反应的氨基酸。最终产物在60°C下真空干燥12小时。对于混合氨基酸功能化（Mix@MWCNTs），将等质量的三种氨基酸（各50 mg）同时加入MWCNTs悬浮液中，按相同流程处理。

氨基酸功能化多壁碳纳米管的表征

多壁碳纳米管经不同氨基酸修饰后的化学结构如图1所示。氨基酸的化学基团通过酯化或酰胺化反应与MWCNTs表面的羧基（–COOH）和羟基（–OH）共价连接。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）对MWCNTs、Meth@MWCNTs、Pro@MWCNTs、Lys@MWCNTs和Mix@MWCNTs的官能团进行鉴定。如图2所示，MWCNTs在3452 cm^-1处出现宽峰，归属于O–H伸缩振动；2924 cm^-1和2854 cm^-1处的吸收峰对应C–H伸缩振动；1635 cm^-1处的强峰为C=O伸缩振动；1384 cm^-1和1089 cm^-1处的峰分别对应C–H弯曲振动和C–O伸缩振动。功能化后的MWCNTs在1650–1550 cm^-1区间出现新的吸收带，表明酰胺键（–CONH–）的成功形成，证实氨基酸已共价接枝到纳米管表面。

讨论

功能化多壁碳纳米管在叶面喷施中表现优于原始MWCNTs和游离氨基酸，其原因可从多角度解析。原始MWCNTs因疏水性易发生团聚，导致在喷施液中分散性差且分布不均；而功能化MWCNTs因引入亲水基团（如羧基、氨基）而具有优异的水溶性，从而形成均匀稳定的悬浮液。此外，氨基酸修饰不仅提升了MWCNTs的生物相容性，还通过协同作用增强了其穿透植物表皮细胞的能力，进而更高效地调控光合作用、抗氧化酶系统及脂肪酸代谢通路，最终显著缓解盐胁迫对油菜生长的抑制。

结论

通过微波辅助技术将氨基酸共价修饰到多壁碳纳米管表面，成功制备了水分散性优异的功能化纳米材料。在盐胁迫环境下，叶面喷施Mix@MWCNTs可显著提升油菜的生物量、种子产量及油脂营养品质（如降低芥酸含量、优化脂肪酸组成），为纳米农业技术在实际生产中的应用提供了理论依据与实践潜力。